Studii universitare de Masterat [310567]

[anonimizat] a sistemelor tehnice

D I S E R T A Ț I E

2018

Universitatea POLITEHNICA din București

Facultatea de Ingineria și Managementul Sistemelor Tehnologice

Departamentul de Teoria Mecanismelor și a [anonimizat] a sistemelor tehnice

T E M A

LUCRĂRII DE DISERTAȚIE

Studiul sistemelor de măsurare de mare precizie

Conducător științific: Autor:

Prof. dr. ing. [anonimizat]

2017-2018

[anonimizat] – noțiuni generale……………………………………………4

Criterii de clasificare a mărimilor de măsurat………………………………………….4

Noțiunea de “sistem de măsurare” și “traductor”……………………………………..5

Instrumente de măsurare

Studiul procesului de măsurare………………………………………………………………8

Precizia instrumentelor de măsurare……………………………………………………….9

Tipuri de măsurari………………………………………………………………………………10

Metode și erori de măsurare………………………………………………………………..11

Clasificarea erorilor de măsurare………………………………………………………..14

Studiul sistemelor de măsurare

Clasificarea sistemelor de măsurare……………………………………………………..16

Sisteme de măsurare computerizate………………………………………………………18

Sisteme de instrumentație……………………………………………………………18

Sisteme de control……………………………………………………………………..19

Clasificarea sistemelor de măsurare computerizate………………………..19

Studiul și evolutia sistemelor de măsurare și control

Traductoare și senzori inteligenți…………………………………………………………24

Studiul sistemelor de măsurare și control asistate de calculator……………….28

[anonimizat]…………………………………………..28

[anonimizat]…………………………………………30

Măsurarea dimensiunilor prin intermediul coordonatelor……………………….34

Evoluția, studiul și impactul sistemelor de măsurare și control……………….36

Studiul roboților de măsurare cu braț articulat………………………………………37

Concluzii…………………………………………………………………………………45

Bibliografie……………………………………………………………………………..46

Introducere – Aspecte generale

Considerații introductive

În orice tip de activitate umană se întâlnește o componența a cunoașterii, al cărui scop îl consituie reflectarea cât mai fidelă a [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat] de activități de măsurare a celor mai diverse caracteristici și proprietăți.

Măsurarea, este un proces experimental, obiectiv, prin care se realizează atribuirea proprietăților sau caracteristicilor obiectelor și fenomenelor lumii reale, astfel încât să se obțină reprezentări simbolice utile ale acestora, în conformitate cu cerințele beneficiarului (omului).

Procesul de măsurare trebuie să aibă la bază o foarte bună cunoaștere a structurii interne a activităților monitorizate pentru că relațiile numerice între măsuri să reflecte cât mai fidel pe cele empirice.

Criterii de clasificare a mărimilor de măsurat

În vederea evidențierii structurii și scopului procesului de măsurare, iată cele mai importante și semnificative criterii de clasificare a mărimilor de măsurat.

Clasificare în funcție de aspectele dimensional-spațiale ale mărimilor de măsurat

Mărimi scalare, sunt cele care pot fi complet determinate în urmă măsurării, printr-un singur număr sau valoare, folosindu-se în acest scop unități de măsură materializate fizic printr-un etalon, iar prin simplă numărare se deduce valoarea numerică (exemplu dimensiunea unei suprafețe)

Mărimi vectoriale nu pot fi reprezentate doar printr-un singur numar, ci sunt caracterizate prin modul, direcție si sens

Mărimi tensoriale, se caracterizeaza prin faptul că tensorul ca mărime atașata unui punct, cu o anumită structură geometrică și constituit dintr-un ansablu de componente scalare.

Clasificare în funcție de tipul relațiilor empirice

Mărimi reperabile sunt cele pentru care se pot defini numai relații de echivalență și de oridine

Mărimi extensive sunt cele care pe lângă relațiile de echivalență și de ordine, admit și o relație de concatenare (compunerea mărimilor cu ele însuși), spre exemplu: lungimea, masa, forța, etc.

Mărimile intensive se caracterizează prin faptul că nu admit o concatenare directă, ci cel mult pe anumite intervale, spre exemplu: temperatura, timpul ca durata de lucru, etc.

Clasificare în funcție de aspectul energetic

Mărimi active, sunt cele care asociate cu o energie din care o anumita parte poate fi utilizata în procesul de măsurare (ex: tensiunea la bornele unei surse electrice)

Mărimi pasive, sunt cele care nu posedă o energie proprie ce poate fi eliberată și folosită in operația de măsurare, fiind nevoie să se recurga in acest sens la o sursă de energie auxiliară (energie de activare)

Noțiunea de “sistem de măsurare” si “traductor”

Se poate defini noțiunea de sistem de măsurare (instrument) ca fiind acel dispozitiv (echipament tehnic) care are ca scop să stabilească o dependență intre mărimea de măsurat și o altă mărime ce poate fi perceputa in mod nemijlocit de operatorul uman, astfel încât permite determinarea valorii mărimii respective pe baza unei scări de măsurare. Aceasta definiție are in vedere înțelesul conventional al notiunii de aparat de măsurat ce presupune utilizarea acestuia de către un operator uman.

În cazul proceselor tehnologice automatizate, unde intervenția operatorului este substantial redusă (în general, pentru eliminarea subiectivismului în aprecierea calitații, sau în vederea anulării erorilor operatorului în procesul de măsurare), aparatul de măsura este denumit traductor si are ca rol stabilirea corespondentei intre mărimea de măsurat si o mărime etalon, posibila de a fi prelucrata de elementele de automatizare sau de echipamentele de calcul din structura constructiva a sistemului tehnologic (spre exemplu calculatoarele de proces).

Pe baza celor prezentate mai sus, in Fig. 1.3.1 se prezinta schema unui aparat de măsurat, a carui mărime de iesire se adreseaza spre prelucrare unui operator uman, iar in Fig. 1.3.2, schema principala corespunzatoare utilizarii unui traductor, care realizeaza functia de măsurare in cadrul unui sistem de reglare, comanda sau conducere automata.

Fig. 1.3.1 Schema generală a unei măsurari efectuate de către un operator uman

Fig. 1.3.2 Schema generală a unei măsurari efectuată într-un sistem de reglare sau de conducere a unui proces tehnologic

Orice aparat de măsurat sau traductor, are o strcutura constructiva detaliata fata de cea prezentata in figura urmatoare (Fig. 1.3.3), ce cuprinde elemente cu rolurile distincte caracteristice unui proces de măsurare – control complex.

Elementul sensibil (detectorul), reprezintă elementul esențial, specific pentru măsurarea unei mărimi fizice și care trebuie să aibă proprietatea de a fi sensibil numai la mărimea de măsurat si de a reduce la un minim acceptabil influența celorlalte mărimi fizice existente în mediul de măsurare. Deasemenea, elementul sensibil trebuie să furnizeze la ieșire un semnal (purtător de informații), care în concordanța cu legile fizice pe care se bazează funcționarea sa, să conțina informația necesară determinării (prin prelucrarea semnalului) valorii mărimii de măsurat și să poata acționa și celelate elemente componente ale aparatului de măsurat.

Adaptorul, ca al doilea element constructiv important din structura unui aparat de măsurare, are rolul de a primi semnalul transmis de elementul sensibil și de al converti intr-o mărime, în general de alta natură, in așa fel încat să fie ușor prelucrată rapid de catre operator sau de echipementele de reglare, in vederea optimizării actului decisional, cu privire la funcționarea sistemului tehnologic de fabricatie, prelucrare, etc. În general, la aparatele de măsurat obișnuite, semnalul de ieșire este o mărime mecanică (deplasarea unui ac indicator pe o scară gradată, etc.)

Elementele auxiliare. Diversitatea constructivă a sistemelor tehnologice de fabricație, în general, sau multitudinea de mărimi care trebuie verificate în mod simplu, rapid și eficient, au impus prezența în structura sistemelor de măsurare a unor elemente auxiliare, care îndeplinesc diverse roluri.

Fig. 1.3.3 Structura funcționala a unui aparat de măsurat

Instrumente de măsurare

2.1 Studiul procesului de măsurare

În domeniul tehnic achiziția de date are două etape importante: măsurarea unor mărimi și prelucrarea rezultatelor obținute în urma măsurării. Acest capitol prezintă unele noțiuni legate de procesul de măsurare.

A măsura înseamnă a compara o mărime necunoscută (x) cu o alta de aceeași natură,luată drept unitate (u), folosind relația:

x = n·u

x – mărimea de măsurat

n – valoarea numerică a mărimii de măsurat

u – unitatea de măsură

Orice proces de măsurare conține patru elemente [4]:

– mărimea de măsurat

– aparatul de măsură

– metoda de măsurare

– etalonul

Prin mărime se înțelege o proprietate măsurabilă a unui corp sau fenomen fizic. Pentru a putea efectua o măsurare trebuie ca mărimea fizică să fie ordonabilă și să se poată stabili o corespondență biunivocă între mulțimea valorilor mărimii respective și mulțimea numerelor reale. Rezultatul unei măsurători este un număr care împreună cu unitatea de măsură caracterizează mărimea de măsurat.

Aparatul de măsură este instrumentul prin intermediul căruia este vizualizată mărimea de măsurat. Indicatorul aparatului de măsură arată valoarea n iar aceasta este percepută de un operator uman sau automat și utilizată practic. Rolul aparatului de măsură în procesul de măsurare este arătat în schema din Fig.2.1.

Fig. 2.1 Locul aparatului de măsură într-un proces de măsurare

Atunci când mărimea de măsurat este o mărime neelectrică ( de ex. temperatura), între obiectul măsurării și aparatul de măsură se interpune un dispozitiv numit traductor, care are rolul de a converti mărimea fizică într-o mărime electrică(de ex. o tensiune electromotoare). Schema bloc a unui proces de măsurare cu traductor este arătată în Fig.2.2.

Fig. 2.2 Locul traductorului într-un proces de măsurare

Metoda de măsurare reprezintă modalitatea în care se desfășoară procesul de măsurare. Măsurările pot fi directe atunci când rezultatul se obține cu rel.(1.1) sau indirecte, atunci când mărimea este definită de relația: x = f(a,b,c…) (2.2) în care a,b,c….sunt mărimi măsurabile direct cu rel.(2.1). Deoarece aparatele care dau mărimile a,b,c…. pot fi montate în mai multe moduri a apărut necesitatea unor metode de măsurare care au condus la rândul lor la apariția unor noi aparate care se bazează pe metodele respective. In prezent se constată tendința de materializare a unor metode de măsurare în instalații complexe, care includ și tehnici de prelucrare electronică a datelor, cunoscute sub numele de sisteme de măsurare. Dintre acestea se remarcă sistemele de măsurare computerizate, care se caracterizează prin aceea că într-un punct al sistemului semnalul electric purtător de informație este convertit din formă analogică în formă digitală.

Etalonul sau standardul de măsură reprezintă materializarea unei unități de măsură, a unui aparat sau sistem de măsură destinat definirii, realizării, conservării sau reproducerii unei unități sau a unor valori cunoscute ale unor mărimi, în scopul verificării prin comparație a altor unități, aparate, sisteme etc.

Precizia instrumentelor de măsură. Clase de precizie

Prin precizia unui aparat se înțelege calitatea acestuia de a da rezultate cât mai apropiate de valoarea reală a mărimii de măsurat. Cantitativ, această calitate se exprimă prin indicele de clasă care reprezintă un număr (înscris pe cadranul aparatului) ce se stabilește după nivelul erorii de bază și al erorii suplimentare (de influență).

Clasa de precizie reprezintă un ansamblu de proprietăți metrologice ale unui aparat, în funcție de care acel aparat este „mai precis” sau „mai puțin precis”. Valorile standardizate ale claselor de precizie sunt: 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5. Clasa de precizie nu reprezintă și precizia măsurării făcută cu acel aparat, întrucât aceasta depinde nu numai de precizia aparatului dar și de condițiile în care are loc măsurarea.

Tipuri de măsurari

Principalele tipuri de măsurări întâlnite în practică sunt: de laborator, de control și de întreținere.

Măsurările de laborator, după locul de desfășurare pot fi făcute în laboratoare de cercetare, didactice și uzinale:

În laboratoarele de cercetare măsurătorile trebuie să se efectueze cu precizia cea mai ridicată, deoarece erorile pot influența semnificativ fenomenul investigat;

În laboratoarele didactice accentul trebuie pus pe detalierea aparaturii de măsură, pentru a înțelege mai ușor metodele de măsurare;

În laboratoarele uzinale principala cerință a măsurătorilor care se fac asupra materiei prime și a procesării acesteia este rapiditatea, întrucât rezultatele trebuie să ajungă la timp pentru a fi utilizate în reglarea procesului tehnologic.

Măsurările de control sunt specifice proceselor de producție și se fac, de regulă, pe loturi de produse, urmărindu-se încadrarea caracteristicilor de calitate în limitele de toleranță prescrise. In procesele moderne de producție de multe ori se cere nu numai măsurarea unor mărimi dar și reglarea valorilor acestora, astfel încât acestea să se încadreze în limite prestabilite. In acest caz este necesar ca în schema măsurării, dată în Fig.2.1, să se introducă un element de decizie și reglare (un regulator), așa cum se arată în Fig.2.3.1

Fig. 2.3.1 Schema bloc a procesului de măsurare cu reglare automată

Măsurările de întreținere se fac la anumite intervale de timp sau atunci când apar defectări.

Pentru a desfășura în bune condiții aceste măsurări trebuie ca:

– să existe o dotare cât mai completă cu aparatură de măsurare; uneori este necesar ca echipamentul să fie mobil (pentru cazul când măsurătorile se fac pe teren);

– să se utilizeze metode de măsurare cât mai simple, pentru a permite intervenții rapide, astfel încât timpul de întrerupere în funcționarea instalației respective să fie cât mai mic.

Metode și erori de măsurare

Prin metoda de măsurare se intelege ansamblul de principii si mijloace ce stau la baza unei operatii in vederea obtinerii unui rezultat care să reprezinte cat mai precis valoarea mărimii măsurate si totodata să satisfaca cerintele de utilizare.

Marea varietate a mărimilor de măsurat, precum si mijloacele utilizate si scopurile diverse in care sunt realizate măsurarile au condus la elaborarea unei mari diversitati de metode de măsurare.

Intrucat operatia de comparative cu unitatea de referinta de măsura este esentiala in orice proces de măsurare, modalitatea de realizare a acestei opratii, a determiant pentru practica măsuratorilor doua metode principale: directe si indirecte.

Metodele directe de măsurare, se caracterizeaza prin faptul ca in activitatea propriu-zisa, valoarea mărimii măsurate se exprima nemijlocit ca rezultat al comparației cu un etalon. Aceste metode se aplica mărimilor wxrensive si pot fi realizate in doua moduri:

prin comparație simultana

prin comparație succesiva

1.Metodele de măsurare prin comparație simultană se caracterizeaza prin faptul că în procesul de măsurare, măsurandul se compară fie cu un etalon de valoarea egală sau apropiata, fie cu un etalon de valoare diferită, rezultat astfel subdiviziunile denumite comparative 1:1, respectiv comparație 1:n

2. Metodele de măsurare prin comparație succesivă sunt specifice aparatelor de măsurat, clasice (indicatoare) în care au loc una sau mai multe transformări de mărimi de măsurat, în conformitate cu realțiile de dependență explicite și complet determinate, pe baza cărora prin atribuirea de numere diverselor valori ale mărimilor captate se obține direct rezultatul măsurarii.

Pentru ilustrarea grafică a principiilor metodelor directe prin comparație simultana si succesiva in fig.2.4 a si b sunt prezentate schemele principale functionale ale celor doua tipuri de măsurari.

Fig 2.4 a)

Fig 2.4 b)

Fig 2.4 Reprezentarea schematică a metodelor directe de măsurare

prin comparație simultană

prin comparație succesivă

După cum se poate oberva în Fig.2.4 , rezultă că la comparația simultană, transferul de informație se face în acelasi timp de la etalon la măsurand, prin intermediul aparatului de măsurat, la operatorul uman, iar în cazul metodei comparației succesive, acest transfer se realizează în doua etape, mai întai pe calea: etalon – aparat de măsurare – operator in cadrul operatiei de “calibrare” si ulterior pe calea: măsurand – aparat de măsurare – operator, in cadrul operatiei de măsurare propriu – zisa.

Din cele prezentate mai sus, se pot de duce usor si desprinde urmatoarele observatii si concluzii mai importante:

Metoda comparației succesive prezintă avantaje importante în privința simplificării operarției de măsurare, deoarece comparatia se realizează automat, operatorul nu trebuie să intervina in procesul măsurarii

Activitatea operatorului în cazul acestei metode se concretizează la citirea corectă a informațiilor de pe aparatul de măsurat, la asigurarea condițiilor necesare de funcționare corectă, respectiv și la efectuarea operației de calibrare.

Pe de altă parte precizia măsurarii prin metoda comparației successive este determinată de performanțele aparatului de măsurat într-un grad mult mai ridicat decât la metoda de măsurare prin comparație simultană; totodată, aparatul de măsurat calibrat pentru un anumit domeniu are o utilizare limitată numai la valori ale măsurandului in domeniul respectiv.

Datorită avantajelor de operativitate, metodata comparației succesive este aplicată pe o scara tot mai largă.

În procesul de măsurare, oricât de corect ar fi executată, chiar dacă se utilizează cele mai precise metode și aparate, rezultatul diferă de valoarea reală.

Cauzele apariției erorilor sunt variate: unele sunt subiective, întrucât depind de operator (îndemânare, atenție, stare de oboseală), altele sunt obiective întrucât depind de aparatul sau instalația de măsurare sau de factorii perturbatori (F.p.) din mediul de lucru (temperatură, umiditate, prezența câmpurilor electrice și magnetice etc.)

Se poate afirma așadar că rezultatul măsurării este întotdeauna însoțit de o eroare iar mărimea acesteia definește precizia măsurării; cu cât eroarea este mai mică cu atât precizia este mai bună. Micșorarea erorilor și deci creșterea preciziei de măsurare este un obiectiv important al procesului de măsurare.

Valorile unei mărimi în legătură cu valoarea unei mărimi există următoarele noțiuni:

– Valoarea reală sau adevărată (notată Xr) reprezintă valoarea unei mărimi fără erori;

– Valoarea efectivă (notată cu X) este valoarea obținută prin măsurarea acelei mărimi cu mijloace de măsurare;

– Valoarea individuală este valoarea obținută pentru mărimea respectivă printr-o singură operație de măsurare; într-un șir de măsurători efectuate în aceleași condiții asupra aceleași mărimi, valoarea individuală se notează cu xi.

– Valoarea medie (notată Xm) reprezintă media aritmetică a valorilor individuale xi ale unui șir de măsurători efectuate în aceleași condiții:

Xm = ∑ xi/n

i = 1…n, n fiind numărul de măsurători efectuate

Clasificarea erorilor de măsurare

a) după modul de exprimare există erori absolute și relative

Eroarea absolută (notată cu ΔX) se determină ca diferență între valoarea efectivă și valoarea reală

ΔX = X – Xr

Eroarea relativă (notată cu ε) se exprimă ca raport între eroarea absolută și valoarea reală:

ε = ΔX/ Xr ·100 [%]

Pe baza erorii relative se stabilește precizia măsurării. Întrucât în practică valoarea reală (Xr) este necunoscută se înlocuiește cu o valoare de referință (X0) sau se determină o limită superioară pentru ΔX. Valoarea de referință se obține prin măsurători mult mai precise (de 5…10 ori) decât cele utilizate pentru determinarea valorii efective.

b) după modul cum se manifestă erorile de măsurare pot fi: sistematice, întâmplătoare (aleatoare) și greșeli (erori grosolane).

Erorile sistematice sunt acele erori care au o valoare determinată (constantă sau variabilă după o lege cunoscută). Ele cuprind erorile controlabile ale aparatelor de măsură, ale metodelor de măsurare și cele care depind de influențele controlabile ale mediului de lucru.

Ca exemplu de eroare sistematică se poate da decalajul dintre punctul de zero și indicația „0” la aparatele de măsurat cu scări gradate liniar. Erorile întâmplătoare(aleatoare) sunt erorile a căror mărime și semn variază la întâmplare (aleator), într-un șir de valori măsurate asupra aceleași mărimi, în aceleași condiții. Aceste erori provin din fluctuațiile indicatoarelor aparatelor de măsură, din neatenția operatorului sau din influențele necontrolabile ale mediului de lucru (variații de tensiune, vibrații, variații de temperatură etc.)

Greșelile (erorile grosolane) sunt erori care provin dintr-o manipulare greșită (de ex., citirea indicațiilor aparatului de măsură pe o altă scară), din alegerea nepotrivită a metodei de măsurare etc. și ele pot fi întotdeauna evitate. Din această prezentare rezultă că erorile sistematice sunt cunoscute ca mărime și sens și deci ele pot fi eliminate prin corecții. Se numește corecție (c) eroarea sistematică absolută cu semn schimbat, adică:

c = – ΔX

c) după cauzele care le produc erorile pot fi: de bază și suplimentare

Erorile de bază sunt erorile intrinseci ale aparatelor de măsură și reprezintă erorile totale determinate în condiții de referință (de ex. temperatura 200 ±10C), prescrise prin standarde sau norme. Erorile suplimentare sunt erorile care apar datorită variației unui singur factor de influență. Acestea se prescriu separat pentru variația fiecărei mărimi de influență în intervale nominale.

Sisteme de măsurare

În condițiile actuale, când informatica a pătruns în toate domeniile de activitate, procesul de măsurare a suferit modificări importante, nu atât metrologic cât mai ales metodologic. Principala modificare constă în trecerea de la instrumentația clasică, preponderent analogică, la instrumentația preponderent numerică, în care calculatorul are un rol important. Au apărut noi instrumente, mai flexibile și mai ușor de integrat în sisteme complexe de măsurare, noi concepte cum ar fi cel de instrumentație virtuală, prin care folosind programe adecvate, utilizatorul poate construi singur aparatele de măsură de care are nevoie etc. Aceste idei novatoare, la care se adaugă avantajele oferite de utilizarea calculatoarelor, au schimbat complet modalitățile clasice în care se desfășura procesul de măsurare, astfel că utilizatorul are acum doar rolul de a realiza conexiunile între elementele aparaturii de măsurare, de configurare a sistemului de măsurare, de pornire și oprire a instalației.

Ținând cont de aceste evoluții se poate spune că:

Sistemele de măsurare reprezintă proceduri și metode de măsurare, care utilizează instalații complexe, în care prelucrarea datelor se realizează pe cale electronică, folosind calculatoare personale și programe adecvate. Aceste sisteme realizează prelevarea mărimilor electrice sau neelectrice (dar convertite în semnale electrice) cu scopul prelucrării, afișării și/sau luării unor decizii asupra unor parametri dintr-un proces tehnologic.

Clasificarea sistemelor de măsurare

După obiectivul urmărit:

Sisteme de măsurare directă: au ca scop prelevarea imediată a valorilor măsurate într-un proces pentru afișarea sau prelucrarea lor. Aceste sisteme se întâlnesc mai ales în laboratoare unde prezența operatorului este absolut necesară pentru luarea deciziilor bazate pe interpretarea mărimilor măsurate.

Sisteme de măsurare și reglare: au ca scop atât măsurarea parametrilor unui proces cât și menținerea acestora între limite sau după legi impuse. Aceste sisteme sunt alcătuite dintr-un lanț de intrare destinat prelevării (achiziției) datelor, un modul de prelucrare a informației (calculator) care elaborează deciziile și un lanț de ieșire care transformă deciziile în comenzi aplicate procesului. Aceste sisteme se mai numesc și sisteme de control al proceselor și se întâlnesc, mai ales, în industrie.

Sisteme de măsurare cu parametri controlați: prelevează mărimi din proces în condiții de mediu bine precizate pe care le controlează automat. Aceste sisteme sunt formate dintr-un subsistem ce menține parametrii de mediu în limite prescrise și un subsistem pentru măsurarea mărimilor din proces. Astfel de sisteme se folosesc pentru măsurări complexe de laborator.

Sisteme de control automat: se folosesc la capătul liniilor de ansamblare pentru verificarea calității produselor.

După modul de coordonare al procesului de măsurare:

Sisteme de măsurare manuale, ce sunt conduse de operator și folosesc aparate de măsură analogice sau numerice. Aparatele de măsură analogice sunt controlate manual prin intermediul unor butoane și comutatoare aflate pe panoul frontal. Măsuratorile făcute cu aceste aparate sunt înregistrate și prelucrate tot manual de către oparator. Astăzi aria aparatelor analogice se restrânge datorită extinderii aparatelor numerice care sunt mai ușor de utilizat chiar atunci când sunt controlate manual.

Sisteme de măsurare automate, care folosesc instrumente numerice programabile, controlate de către dispozitive externe (calculatoare sau sisteme cu microprocesor) . Utilizatorul iși construiește un sistem cu mai multe instrumente, conectate la un calculator care guvernează procesul de măsurare, pe baza unui program adecvat. Conectarea instrumentelor cu calculatorul se face prin folosirea unor interfețe standardizate cum ar fi RS232 sau IEEE488. La aceste sisteme intervenția operatorului este minimă, rolul său fiind doar acela de a iniția si opri procesul de măsurare.

Avantajele sistemelor de măsurare automate sunt:

– standardizarea procedurilor de măsurare;

– posibilitatea plasării traductoarelor și circuitelor de măsură lângă proces;

– comunicarea cu “operatorul automat “(calculatorul) se poate face pe distanțe mari, fără alterarea informației;

– creșterea vitezei operațiilor de măsurare;

– posibilitatea de a controla condițiile de mediu (temperatură, umiditate);

– creșterea preciziei de măsurare, ca urmare a eliminării erorilor datorate operatorului uman;

– realizarea unor operații suplimentare (sortarea obiectelor măsurate, afișarea rezultatelor, etc.).

Sisteme de măsurare computerizate

Cunoscute sub diverse denumiri (sisteme de măsurare numerice, sisteme de măsurare digitale, sisteme computerizate de achiziții de date, sisteme de măsurare cu microprocesoare), sistemele de măsurare computerizate se caracterizează în primul rând prin faptul că dintr-un anumit punct al sistemului, semnalul electric purtător de informație este convertit din formă analogică în formă digitală (numerică). O parte din problematica sistemelor de măsurare computerizate se referă la preluarea și prelucrarea informației conținute în semnalele digitale, iar altă parte la controlul procesului. De aceea în cadrul sistemelor de măsurare numerice se face distincție între sisteme de instrumentatie și sisteme de control.

3.2.1.Sisteme de instrumentație

Sistemele de instrumentație sunt sisteme de măsurare complexe, computerizate (sau dotate cel puțin cu un micropocesor), care au posibilitatea de a prelucra informația prevenită din procesul de măsurare. Informația reprezintă date și detalii cu privire la un obiect sau eveniment și este purtată prin semnale electrice. Sistemele de instrumentație au ca scop prelucrarea informațiilor provenite dintr-un sistem de măsurare fără a le modifica. Informațiile sunt transformate în semnale electrice care descriu evoluția în timp a fenomenului fizic. Sistemele de instrumentație sunt sisteme deschise și sunt destinate atât efectuării măsurătorilor propriu-zise cât și analizei mărimilor prelevate (Fig. 3.2.1).

Fig. 3.2.1 Locul sistemului de instrumentație în procesul de măsurare

Sistemele de instrumentație, ca parte a sistemelor de măsurare computerizate, au în componența lor unitați de prelucrare numerică (microprocesoare specializate sau sisteme de calcul) ceea ce conferă flexibilitate și performanțe ridicate. Tehnicile moderne de măsurare din diverse domenii sunt de neconceput fără sisteme de instrumentație și necesită cunoștințe din domenii diferite (electronică, măsurări, traductoare, calculatoare etc.)

3.2.2.Sisteme de control

Sistemele de control se deosebesc de sistemele de instrumentație prin aceea că sunt destinate atât prelucrării informațiilor prelevate prin măsurare, cât și elaborării comenzilor pentru elementele de execuție care acționează asupra procesului supravegheat. Aceste sisteme sunt închise, întrucât generează corecții pentru a menține o anumită stare într-o evoluție prestabilită.

În unele situații determinarea valorii mărimii de măsurat trebuie făcută în condiții de mediu bine determinate, fiind deci necesară folosirea sistemelor de măsurare cu parametri controlați, care au atât caracteristici de instrumentație cât și de control. Schema bloc din Fig.3.2.2. descrie acest tip de sistem, în care partea de instrumentație asigură prelevarea și prelucrarea mărimilor de măsurat, iar partea de control stabilește condițiile de măsurare.

Fig. 3.2.2 Schema bloc a unui sistem de instrumentație / control

3.2.3.Clasificarea sistemelor de măsurare computerizate

Avantajele oferite în diverse domenii de modalitatea digitală de transmitere a semnalelor purtătoare de informații au condus la utilizarea acesteia și în procesele de măsurare. Creșterea performanțelor calculatoarelor au făcut ca sistemele de măsurare cumputerizată să formeze o categorie distinctă care începe să fie utilizată preponderent comparativ cu sistemele măsurare exclusiv analogice.

Una din cele mai utilizate clasificări ale sistemelor de măsurare computerizate, au la bază protocolul utilizat pentru transmiterea semnalelor digitale(numerice). Astfel în ordinea în care diverse protocoale au început să fie utilizate dar și în ordinea complexitații lor, sistemele de măsurare computerizate se clasifică în:

-cu comunicație serială;

-cu comunicație paralelă;

-cu plăci de achiziții de date;

-cu calculatoare de uz industrial.

a) Sistemele de măsurare computerizate cu comunicație serială reprezintă una din primele categorii de astfel de sisteme. Apărute odată cu ideea utilizării calculatorului în măsurare, ele au fost formate prin dotarea aparatelor de măsurare cu convertoare analog-digitale și cu interfețe de comunicație serială prin intermediul cărora informația privind valorile măsurate să poată fi transmise la calculator. Schema care evidențiază principalele componente ale unui sistem de măsurare computerizat cu comunicație serială este dată în Fig. 3.2.3.1

Fig. 3.2.3.1 Strucura unui sistem de măsurare computeriată cu comunicație serială

Dezvoltările ulterioare ale aparatelor de măsură analogice au permis ca modificarea unor parametri de configurare a acestora (domeniul de măsurare, factorul de amplificare etc) să poată fi efectuată la primirea unei comenzi date de către calculator și transmisă aparatului de măsură prin interfața de comunicație serială. Posibilitățile de APARAT DE MĂSURĂ ANALOGIC Convertor A / N Interfață pentru comunicații seriale Circuite de conectare și condiționare, traductori comenzi de configurare Calculator Interfață pentru comunicatii seriale afișare pe monitorul calculatorului a valorilor măsurate, de prelucrare și de stocare în fișiere de date, precum și modificarea automată (comandată prin software) a parametrilor de lucru ai aparatelor de măsură analogice au condus la eliminarea unor funcții ale acestor aparate. Astfel componentele indicatoare (acul indicator) înregistratoarele, comutatoarele nu își mai justificau prezența datorită dublării funcțiilor respective de către calculator. Prin această simplificare aparatele de măsură analogice utilizate în sisteme computerizate cu comunicație serială pot fi reduse la circuite de conectare a traductoarelor, de condiționare a semnalului analogic, de conversie analogdigitală (numerică) și de realizare a comunicației seriale. Avantajul acestei simplificări constă în eliminarea unor componente electronice sau electromecanice cu consum energetic relativ mare, care pot influența negativ procesul de măsurare.

Datorită vitezei relativ reduse de transmitere a informatiei în cazul comunicației seriale, acest tip de sisteme de măsurare computerizate poate fi utilizat atunci când interfața de comunicare serială a aparatului analogic nu transmite către calculator decât o parte din valorile măsurate.

b) Sistemele de măsurare computerizată cu comunicație paralelă au o structură similară celor cu comunicație serială, pricipala diferență constând în protocolul utilizat pentru transmiterea informației. Viteza sporită de transmitere a informației face ca această soluție să fie utilizată pentru conectare la calculator a unor aparate pentru măsurarea unor mărimi fizice cu variații foarte rapide. In plus, deși aparatele utilizate în aceste sisteme pot fi monitorizate sau configurate de calculator prin intermediul interfeței de comunicație paralelă, ele pot să conțină componente de vizualizare și stocare a semnalului sau componente de configurare. Păstrarea acestor componente pe aparatele de măsură face posibilă utilizarea lor, în situația în care nu sunt conectate la calculator. Schema unui sistem de măsurare computerizat cu comunicații paralele este aceeași cu cea serială (dată în Fig. 3.2.3.1), singura deoserbire constând în înlocuirea interfeței pentru comunicații seriale cu una pentru comunicații paralele.

c) Sistemele de măsură computerizate cu plăci de achiziții se caracterizează în primul rând prin faptul că operația de conversie a semnalului purtător de informație din forma analogică în formă digitală nu mai este efectuată de aparatul de măsură analogic ci de o componetă electronică distinctă – placa de achiziții date- montată în calculator ca în Fig. 3.2.3.2.

Fig. 3.2.3.2 Stuctura generală a unui sistem de măsurare computerizat cu placă de achiziție

Plăcile de achiziții date necesită ca semnalul analogic să se încadreze între anumite limite pentru valoarea tensiunii și de aceea este necesară prezența unor aparate de condiționare a semnalelor. Acestea au rol nu numai de a satisface cerințele impuse de placa de achiziție ci și a celor rezultate din tipul și caracteristicile constructive ale traductoarelor utilizate. Majoritatea operațiilor de configurare a acestor aparate sunt comandate de calculator prin intermediul plăcii de achiziție. Transferul de informație între aparatele de condiționare a semnalului și placa de achiziție de date are loc într-un mod complex.

O prima categorie de informații (informația conținută în semnalul măsurat și condiționat) este transferată sub formă analogică în sens unic către placa de achiziție de date și este dedicată convertorului analog-digital.

A doua categorie de semnale purtătoare de informație este de natură digitală. Acestea sunt dedicate fie comandării de către placa de achiziție a modului de lucru a condiționerului de semnal, fie transmiterii de către acesta a unor informații legate de starea în care se află. Prezența convertorului analog-numeric(digital) în placa de achiziții montată în calculator conferă sistemului de măsurare flexibilitate și performanțe sporite. Viteza de transmitere a informației provenite din măsurare către microprocesorul calculatorului este mult mai mare comparativ cu sistemele de comunicație paralelă. Modul în care placa de achiziție realizează transferul informațiilor către și de la microprocesor depinde de tipul de magistrală de date existent în structura calculatorului (AT, ISA, PCI, etc.).

Transmiterea sub formă analogică a semnalului de la modulul de condiționare la calculator ridică unele probleme în situația când distanța transmisiei este mare sau atunci când informația poate fi afectată de factori perturbatori. Evitarea alterării informației în aceste cazuri se poate face fie prin introducerea unor componente suplimentare în sistemul de măsurare (de obicei modulatoare), fie prin luarea unor măsuri suplimentare de izolare și ecranare a componentelor sistemelor de măsurare. Sistemele de măsurare computerizată cu plăci de achiziții sunt utilizate cu precădere în activități de cercetare experimentală (laboratoare, testări inițiale pentru sisteme de automatizare, etc.).

d) Sistemele de măsurare computerizată cu calculatoare de uz industrial utilizează de asemenea plăci de achiziții de date și aparate de condiționare a semnalelor. Deosebirea față de sistemele cu plăci de achiziție constă în faptul că aceste componente împreună cu calculatorul sunt realizate sub formă de module ce se montează pe un suport comun, ca în Fig.3.2.3.3. Suportul comun asigură atât o parte din comunicațiile digitale dintre componentele sistemului de măsurare, cât și etanșarea și izolarea acestora față de eventualii factori perturbatori din mediul de lucru (umiditate, praf, etc).

Fig. 3.2.3.3 Structura unui sistem de măsurare computerizat cu calculator de uz industrial

Transmiterea informațiilor între componentele montate pe suportul comun se efectuează după protocoale specifice acestui sistem de măsurare (VXI, MXI, PXI, etc.).

Pe suportul comun pot fi montate în plus interfețe dedicate comunicației cu alte aparate de măsură externe, atât în serie cât și în paralel, care comunică, de obicei prin intermediul magistralei de date, cu calculatorul de uz industrial.

Sistemele de măsurare computerizată cu calculator de uz industrial sunt utilizate exclusiv în aplicații industriale de monitorizare, control și comandă în cadrul unor procese cu număr mare de locuri de măsurare și mărimi de controlat (de ex.: centrale electrice, combinate siderurgice și metalurgice etc.)

Evoluția sistemelor de măsurare și control

Traductoare și senzori inteligenți

În cadrul sistemelor automate de măsurare si control, mărimile de intrare ale traductoarelor și senzorilor reprezintă informații despre starea de funcționare a sistemului inteligent și a mediului în care funcționează.

Prin traductor, reamintim, se înțelege un dispozitiv care preia informații despre starea internă de funcționare a sistemului, iar prin senzor se înțelege dispozitivul care culege informații despre starea externă (a mediului).

Mărimile de ieșire de la traductoare și senzori pot fi numerice sau analogice (de unde și denumirea corespunzătoare a acestora)

Ca elemente de măsurare în structură sistemelor tehnologice de producție au rolul de a pune în evidența operatorului uman mărimea relativă a deplasării a unui organ mobil (subsistem) sau poziția acestuia față de un sistem de referință (mărimea absolută a deplasării).

Traductoarele de deplasare furnizează la ieșire mărimea relativă a deplasării că diferență a coordonatelor poziției finale și inițiale a elementului mobil, iar cele de poziție oferă mărimea absolută a deplasării că valoare a coordonatei poziției finale față de originea sistemului de coordonate

Traductoarele numerice se caracterizează prin faptul că la ieșire furnineaza o mărime electrică sub formă de impulsuri, numărul acestora fiind codificat într-un cod oarecare fiind proporțional cu deplasarea. Metoda numerica de măsurare poare fi:

Incrementală – pentru măsurari relative

Absolută – pentru măsurari absolute

Metoda numerică incrementală, se bazează pe principiul divizării unității de lungime sau de unghi într-un număr finit de elemente de distanță, materializate prin linii foarte subțiri, trasat mecanic sau prin fante echidistante realizate fie pe elementul fix sau pe cel mobil al traductorului.

Prin deplasarea relativă a celor doua elemente ale traductorului, pe baza fotoeletrică, elementele de distanță și delimitările dintre acestea se transformă în semnale logice de nivel 1 sau 0 in mod alternativ (fig. 4.1.1) fiecărui increment (pas) cu deplasare îi corespunde ca valoare un impuls electric (de tip 0 sau 1)

Fig. 4.1.1 Schema de clasificare a traductoarelor

Fig. 4.1.2 Dependența dintre numarul semnalelor electrice de tip 1 sau 0 de mărimea deplasării organului mobil.

Prin măsurarea acestor impulsuri la nivelul unui numărator electronic se obține valoarea deplasarii între două puncte cu o precizie de ±ΔL.

Pentru exemplificare, în figura următoare (4.1.3) se prezintă soluția constructivă și de funcționare a unui traductor incremental liniar, alcătuit din următoarele elemente reprezentative: un sistem optic centrat cu o montură M, o sursă de lumină S, o lentila obiectiv de proiectie convergenta OB, o riglă incrementală R (cu fante), care are posibilitatea deplasarii în raport cu axa optică a sistemului sursă de lumină, o riglă vernier V prevazuta cu ferestre laterale prin care rigla incrementală se poate deplasa transversal si un sistem fotodiode F1+F1 ca elemente de obținere a semnalelor logive 1 sau 0.

Fig.4.1.3 Schema constructiva si functionala a unui traductor numeric incremental de deplasare

Miscarea relativă a grilei traductorului fațp de vernier se asigurp prin solidarizarea monturii cu elementul fix al echipamentului tehnologic(in general ghidajul), iar righla cu elementul mobil(sania, capul de fortp, etc.) pentru care trebuie măsuratp deplasarea.

Dupa cum se poate observa, pe rigla incrementalp este materializatp o rețea de benzi (fante) opace si transparente cu lațimea L/2, pe righa vernier, benzile(fantele) opace au latimea 3L/4, iar cele transparente L/2.

Fotodiodele sunt aliniate cu benzile transparente ale riglei vernier, deci la pasul 5L/4.

Pereche rigla – vernier formeaza un rastel, strabătut de fluxul luminos primit de la sursa S și interceptat de fotodiode, intensitatea acestuia (și deci natura semnalului electric) depinzând de aria instantanee neecranată din dreptul acesteia.

Impulsurile electrice obtinuțe, numărate cu un dispozitiv de numărare conduc la o valoare a deplasării S=N L (N fiind numarul de impulsuri).

În acest caz dispozitivul de citire a informațiilor de pe riglă trebuie să citească simultan toate pistele, astfel că la ieșire se va obtine un număr prin care se exprimă poziția elementului mobil la un moment dat față de origine (spre exemplu, capătul din stânga al riglei traductorului).

Traductoarele analogice, se caracterizează prin faptul că semnalul de ieșire este o tensiune electrică a cărei amplitudine sau fază se modifică în mod continuu în funcție de deplasare. Între mărimea sau faza semnalului electric (tensiunea) și mărimea deplasării organului mobil al echipamentului tehnologic există o dependență biunivocă, de regulă printr-o funcție trigonometrică (de tip sinus sau cosinus) fig 4.1.4.

Fig.4.1.4 Dependența tensiunii electrice în fucntie de deplasare la traductoarele analogice.

Studiul sistemelor de măsurare si control asistate de calculator

Dezvoltarea și integrarea în activitatea de producție din ce în ce mai diversificată și cu pretenții de precizie tot mai ridicate a unor echipamente tehnologice cu grad înalt de automatizare, caracterizate mai ales de utilizarea conducerii numerice a proceselor de lucru prin intermediul calculatoarelor, a impus cu necesitate si automatizarea măsurarii si controlului calității produselor cu echipamente compatibile cu cele de fabricație.

Pentru eliminarea marjelor de eroare(umane) și a timpilor necesari procesului de măsurare și verificare a pieselor în mediul industrial s-a adoptat utilizarea proceselor de măsurare asistate de calculator.

Câteva motive de ordin economic, social și tehnologic au impus modernizarea procesului de măsurare și control, printre acestea amintim:

Consum de timp ridicat și interzieri ale procesului de producție

Cererea tot mai mare și pretenția clienților de produse perfecte

Tendința inspectorului uman de a fi de mai multe ori subiectiv

Imbunătățiri aduse tehnicilor de proiectare și contrucție a senzorilor fără contact

Toți acești factori au condus la introducerea si dezvoltarea controlului calității asistată de calculator (CAQ – Computer Aided Quality Control)

Efectele cele mai importante ale folosirii CAQ sunt:

Procesul de inspecție este integrat în procesul de producție deci nu mai necesită deplasarea pieselor pe bancuri speciale sau alte spatii pentru verificare, decât în situații speciale

Utilizarea senzorilor fără contact este facilitatp de implementarea CAQ; în schimb cu dispozitive cu senzori sau traductoare cu contact, piesa trebuie să fie oprită si repoziționată pentru realizarea controlului cu cheltuieli de timp și costuri de producție

Folosirea senzorilor și traductoarelor fără contact și utilizarea calculatorului pentru prelucrarea datelor permite “adaptarea procesului în sensul optimizării desfășurării acestuia”

Metode de măsurare – verificare cu contact

Mașinile de măsurat in coordonate (CMM) sunt cele mai reprezentative echipamente din categoria verificarii calității (preciziei dimensional-geometrice) folosind senzori mecanici în contact cu suprafața piesei (fig. 4.3.1).

Acestea sunt alcătuite dintr-o masa pe care se fixeaza piesa în poziție fixă și un cap de măsurare (senzorul) ce poate fi deplasat pe trei direcții corespunzătoare celor trei axe de coordonate pentru a prelua informațiile dimensionale-geometrice corespunzătoare.

Fig. 4.3.1 Schema unui masini de măsurat in coordonate

În prezent, CMM-urile sunt controlate de calculator, programul de lucru și coordonatele piesei putând fii stocate direct dintr-un calculator central.

În general, față de timpul necesar pentru o inspecție manuală, timpul de care are o nevoie o CMM este aproximativ 5+10% din primul.

Dezavantajul acestor echipamente, constă în faptul că piesele trebuie aduse la postul de fabricație pe masa mașinii, care sunt dispuse, de obicei în alt spațiu de lucru.

Metode de măsurare – verificare fara contact

Din aceasta categorie cele mai raspândite sunt:

Metodele optice

Metodele non-optice

Metodele optice

Față de metoda inspecției cu contact, cele fără contact prezintă urmatoarele avantaje, cele mai importante fiind:

Elimină necesitatea transferului piesei de la locul de producție pe masa echipamentului de verificat deci implicit producitivitatea procesului de inspecție creste;

Sunt mult mai rapide în efectuarea inspectiei calității produsului

În lipsa contactului elementului de verificare a calității cu suprafața piesei, se eliminț oboseala și uzura mecanică a sondei traductorului și senzorului de măsurare/control

Elimină posibilitatea deteriorării suprafeței inspectate în timpul operației de măsurare

Sistemele optice sunt cele mai utilizate metode de inspecție fără contact a calității produsului și care se bazează pe folosirea tehnologiilor microelectronice și procesarea pe calculator a semnalelor primite de la senzori sau traductoare.

Din categoria tehnicilor optice de inspectie fără contact fac parte:

Vederea computerizată

Scanarea cu fascicul laser

Fotometria

Toate aceste metode folosesc pentru prelucrarea informațiilor despre calitatea produselor un senzor de lumina de tip: celulă fotoelectrică sau fotodiodă.

Vederea computerizată

Obiectivul metodei este acela de a atribui sistemului pe cât posibil aceleași simț vizual ca al unei persoane umane, care ar verifica produsul pentru evaluarea calitații. Este un domeniu înca neexploatat pe deplin și care are perspectiva unor perfecțiuni foarte mari pentru cresterea productivității procesului de inspecție și a evaluării calitații.

Un astfel de sistem automat de control conține o cameră video și un calculator digital legate printr-o interfață specifică.

Calculatorul digital preia semnalul analog de la camera video, îl digitalizează și apoi analizează imaginea rezultată cu informațiile stocate în propria memorie.

În prezent, există o serie de limite ale acestor tehnologii dintre care cele mai semnificative sunt următoarele:

Împarțirea imaginii se face în elemente de imagine de baza (puncte sau pxieli) într-un numar finit; (spre exemplu: 256×256 sau 515×512)

A doua limitare este cea legata de recunoașterea obiectelor din câmpul de vedere al camerei video (numărul de obiecte care poate fi recunoscut este direct proporțional cu capacitatea de stocare a calculatorului); sistemul nu poate recunoaște obiecte pentru care nu are are informații stocate în baza sa de date.

O altă restricție de limitare se referă la cazul în care doua obiecte se obturează (se intersectează ca imagine) parțial unul pe celălalt, caz în care tehnicile actuale nu permit recunoașterea ambelor obiecte cu performanțe ridicate de identificare.

Aceste limitari ale vederii computerizate sunt, în principal datorate vitezei de calcul și capacității de stocare a informațiilor limitate la anumite valori posibile aflate în calculator; aceste limite se vor diminua destul de curând prin dezvoltarea echipamentelor electronice și a programelor de calculator specializate.

Dispozitivele de scanare cu fascicul laser

Acest tip de dispozitive sunt cele mai performante în raport cu alte tipuri de dispozitive cu fascicul de lumină albă sau fluorescentă, deoarece avantajul laserului, cel mai important, este că poate fi proiectat la distanțe mari fără a prezenta pierderi insemnate de energie sau intensitate, precum și de abatere de la direcția rectilinie.

Un exemplu reprezentativ al aplicării acestei metode îl reprezintă măsurarea abaterilor dimensionale ale unei piese (fig. 4.4.1)

Sistemul de lucru se bazează în acest caz, pe măsurarea timpului și nu a intensității luminii.

Fascicolul laser emis de către o sursă, este dirijat prin reflexie folosindu-se o oglindă pivotantă, astfel incât să scaneze obiectul de măsurat. Detectorul optic este situat în punctul focal al sistemului de lentile și are ca scop să detecteze intreruperea fascicolului laser în momentul când acesta este blocat de obiect.

Fig.4.4.1 Schema generala a unui sistem de verificare a preciziei dimensionale cu fascicul laser.

Timpul care corespunde întreruperii luminii laser (Δt = t2 – t1) este măsurat și apoi transformat în dimeniuni specifice pentru acel obiect (fig. 4.4.1a).

Fotometria este o metodă de inspecție imprumutată din domeniul recunoașterii aeriene și a alcștuirii hărtii geologice (topografice)

În inspecția calității produselor, acesta presupune extragerea unor informații tridimensionale dintr-o pereche de fotografii ale obiectului, luate sub diverse unghiuri.

Dezavantajul acestei metode, este realizarea fotografiilor care necesita un anumit timp.

Principiul unui astfel de sistem de inspecție se prezinta în fig. 4.4.2, de unde se observă că imaginile foto preluate de cele două camere 1și 2, sunt prelucrate de un calculator care prin procesarea imaginilor obtinute comparându-le cu imaginea stocată a unui model de referință, decide asupra calității produsului.

Fig. 4.4.2.Sistem de măsurare dimensionala bazat pe fotometrie

Metodele non optice

Sunt utilizate mai des trei tipuri generale reprezentative de tehnici non-optice ale inspecției fără contact a calității produselor și anume:

Tehnici bazate pe câmpuri electrice (de tip capacitiv, inductiv, rezistiv)

Spre exemplu, un traductor capacitiv, poate fi folosit pentru măsurarea distanței dintre sondă și obiectul de măsurat, principiul de lucru constând în plasarea obiectului în interiorul plăcilor mobile ale unui condensator și prin măsurarea capacității variabile C a acestuia, se pot determina dimensiunile obiectului pe o direcție sau pe mai multe direcții.

Un traductor de tip inductiv, folosit pentru verificarea calității produsului, presupune plasarea obiectului într-un câmp magnetic produs de o bobină traversată de curent alternativ, care influențeaza inductanța bobinei. Câmpul magnetic primar este influențat de cel creat de curentul de intenstiate mai mică generat prin obiect.

Inductanta rezultantă poate fi măsurată și analziată pentru determinarea anumitor caracteristici dimensionale ale obiectului sau chiar geometrice.

Tehnici bazate pe utilizarea radiatiilor

Radiațiile X sunt folosite în procesul de inspecție ale caracteristicilor sau proprietăților materialelor sau ale pieselor. Energia radiatiilor abosrbită de un material, poate fi folosită atat pentru a-i măsura grosimea, cât și pentru a-i determina caracteristici de calitate (spre exemplu existența unor defecte interne).

Domeniul de aplicare ale tehnicilor cu raze X este cel legat, mai ales de inspectarea calitătii sudurilor sau a țevilor din oțel de Al, când se detectează defectele și golurile din sudura sau material.

Ultrasunetele sunt folosite (la frecventa înaltă de peste 20000 Hz) pentru a indica anumite caracteristici ale materialelor sau pieselor, prin testarea nedistructivă (a defectelor).

Pot fi folosite și pentru determinarea caracteristicilor dimensionale, principiul constând în faptul că sunetul reflectat de obiect, este comparat de un calculator cu alte modele de unde stocate in memoria acestuia, acceptabile din punct de vedere al calității.

Măsurarea dimensiunilor prin intermediul coordonatelor

Măsurarea in coordonate are unele caracteristici proprii ce o deosebesc oarecum de măsurarile obișnuite cu instrumente universale (șubler, micrometru, microscop, etc.)

În timp ce la măsurarile obișnuite parametrii dimensionali ai suprafeței piesei se obțin direct (ex. Diametrul cu ajutorul microscopului sau micrometrului) în cazul metodelor de măsurare in coordonate, datele procesului de verificare a calității se obțin indirect prin prelucrarea rezultatelor măsuratorilor de coordonate ale unor puncte din plan sau spațiu, folosind calculatorul electronic propriu sistemului, care ofera rezultatul verificarii in timp real sau nu.

În procesul de verificare a preciziei dimensionale și geometrice a suprafeței prelucrate, softul de măsurare se bazează pe utilizarea unor relații teoretice ale geometriei analitice în plan sau spațiu. Spre exemplu distanța dintre axele a doua alezaje, pe baza căreia se creeaza softul de calcul și respectiv modalitatea de palpare a suprafețelor alezajelor pentru obținerea coordonatelor x1, y1 si x2, y3 ale centrelor O1 si O2 ale celor două alezaje.

Fig. 4.5.1 Măsurarea distantei dintre doua puncte in plan

Pentru ca măsurarea să fie sigura, eficientă și precisă trebuie să fie respectate anumite principii în elaborarea strategiei de măsurare în coordonate:

În primul rând trebuie să fie conceput un plan de măsurare al piesei care presupune alegerea dispozitivelor, modurile de asezare și prindere a acesteia pe masa (AMCrd – aparat de măsurare în coordonate) strategia de măsurare, calculele ce trebuie efectuate, alegerea softului, etc.

Alegerea poziției optime a reperului în spațiul de lucru al AMCrd este foarte importantă. Este de recomandat în acest sens modul de asezare care permite măsurarea fară schimbarea poziției piesei (dacă este posibil) și cu utilizarea unui singur palpator (caz destul de rar întâlnit). Datorită complexitații suprafețelor geometrice ale piesei, poziția acesteia, de obicei se modifică și chiar necesită schimbarea palpatorului.

Evoluția, studiul și impactul sistemelor de măsurare și control

În ultimii 20 de ani dezvoltarea calculatoarelor și a tehnologiei a avut parte de o creștere accentuata ducând automat la necesitatea evoluției aparatelor de măsurare și control. Pentru eliminarea marjelor de măsurare, diminuarea timpilor de măsurare si ușurarea procesului de măsurare aparatele clasice de măsurare au avut parte de imbunatatiri substanțiale, astazi fiind capabile de performante extraordinare.

Evoluția sistemelor de măsurare:

Necesitatea îmbunătățirii timpilor de citire a dimensiunilor cu ajutorul șublerului, a dus la modernizarea acestuia, astfel valorile putând fi citite imediat fără a avea parte de o eroare de citire din partea operatorului uman.

Fig. 4.6.1 Șubler

Fig. 4.6.2 Șubler digital

Fig. 4.6.3 Micrometru și micrometru digital

Avantajele și beneficiile evoluției sistemelor de măsurare:

Precizie superioară, față de instrumentele clasice. Ultimele aparate de măsurare sunt capabile să măsoare cu o precizie extraordinar de mare pâna la ordinul nanometrilor

Reducerea timpilor necesari procesului de măsurare

Imbunătățiri în procesul de proiectare asistat de calculator, majoritatea dintre aparatele moderne de măsurare fiind capabile să genereze o schiță minimalistă sau piesa intr-un format CAD/CAM.

Reducerea costurilor inclusiv reducerea necesității efectuării măsurătorii în multiple rânduri pentru verificarea preciziei

Studiul roboților de măsurare cu braț articulat

În acest capitol am ales să studiez unul dintre cel mai avansat și precis braț de măsurare dar si să prezint avantajele acestuia în comparație cu competitorii și alte produse aflate pe piață.

Brațele poliarticulate sunt instrumente de măsura în coordonate 3D portabile, capabile să masoare puncte la contactul palpatorului cu suprafața de inspectat. Sunt instrumente de măsura manuale și necesită intervenția unui operator de inspecție dimensionala. În general au o precizie mai scăzută decât a unui laser tracker, însa prezintă o serie de avantaje în comparație cu acesta.

Brat articulat portabil – Principiu de functionare

Un braț poliarticulat este un intrument de măsura 3D portabil, format dintr-o serie de tuburi racordate, în ale carui incheieturi (joints) sunt plasați senzori optici care masoară unghiul dintre doua tuburi succesive. Între fiecare două tuburi se poate face rotația pe o singură axă, celelalte rotații fiind blocate de elemente mecanice de înalta precizie. Prin măsurarea unghiurilor dintre toate tuburile și cunoașterea poziției inițiale a intrumentului (originea instrumentului), se poate determina poziția palpatorului care vine în contact cu piesa de măsurat. Proiectarea ulterioara a punctului măsurat și compensarea diametrului sferei de contact conduc la determinarea poziției punctului măsurat pe piesa.

În funcție de specificațiile de măsura se pot alege palpatoare cu diametru și lungimi diferite. Precizia encoderelor si a factorului de dilatare termica a tuburilor depinde in mare parte precizia de măsura a acestui instrument portabil.

Mod de utilizare:

Brațele de măsura 3D poliarticulate necesită manipularea de către un operator, fiind instrumente de măsura manuale. Principiul este acela al unei mașini de măsurare fixe și se bazează pe determinarea poziției palpatorului care vine în contact cu piesa de măsurat. Operatorul poziționeaza tastatorul în contact cu piesa de măsurat, iar măsurarea punctului se face prin apăsarea unui buton, moment în care brațul transmite către computer coordonatele centrului palpatorului. Prin analiza software se compensează diametrul palpatorului determinându-se astfel poziția punctului măsurat pe piesa.

Avantaje brate poliarticulate:

Prețul de achizitie scazut;

Mobilitatea si ușurința în manevrare;

Manipulare și montare confortabila;

Nu necesită timp de încalzire ți stabilizare termica, odată instalat se poate începe activitatea de măsura;

Posibilitatea de a fi utilizat de catre un sigur operator;

Posibilitatea de a măsura puncte ascunse, spre deosebire de laser tracker care poate măsura numai in zone accesibil optic;

Precizie satisfacătoare pentru o largă gamă de aplicații metrologice;

Dimensiuni relativ reduse, ce îl fac ușor de transportat și instalat;

Aplicații specifice pentru brațe articulate:

Măsurare 3D matrițe și mulaje;

Măsurare ansambluri de fixare, statii de sudură industrie auto;

Măsurare ansambluri industrie aeronautică;

Măsurare componente de mici dimensiuni;

Control dimensional 3D de precizie în producție;

Aplicații de reverse engineering;

Fig. 4.7.1 Romer Absolute Arm

Primul în lumea brațelor de măsurare portabile: brațul absolut ROMER dispune de codificatoare absolute și este, prin urmare, primul braț de măsurare care nu necesită referință înainte de măsurare.

Brațul Romer este unul dintre cele mai avansate brațe de pe piață, domeniile de utilizare fiind multiple spre exemplu: controlul calității, inspecție, verificare pe mașină, inginerie inversă, asamblare virtuală sau modelare 3D.

Printre avantajele fată de competitori se numără următoarele:

Portabilitate

Stabilitate

Nu necesită referință inainte de măsurare

Greutate redusă

Lasere de înaltă performanță, capabile de măsurare de înaltă precizie, analiză și digitizare 3D

Funcționează cu toate pachetele software de mtrologie

Lumină de lucru integrată și cameră foto

Spre deosebire de multe dispozitive de măsurare de înaltă precizie, brațul absolut Romer nu necesită timp de încălzire sau de inițializare, grație unei structuri stabile din fibră de carbon și a codificatoarelor absolute.

Brațul este disponibil în trei niveluri de acuratețe având rapoarte preț/performanță nemaiîntâlnite, cel de-al 3-lea nivel având și cel mai înalt grad de precizie existent pe piață.

Echipat cu o contragreutate detașabilă, ROMER Absolute Arm Compact poate fi folosit aproape oriunde fără dispozitive sau monturi speciale, fiind perfect pentru măsurarea pieselor mici până la cele medii, cu volumul de măsurare de până la 1,2 metri. Proiectat pentru uzabilitate și oboseală scăzută a operatorului, încheietura mâinii dispune de o lumină de lucru integrată și o cameră de înregistrare configurări. Feedbackul haptic avertizează utilizatorii atunci când o limită a axei este atins pentru a elimina orice risc de măsurători proaste. Recunoașterea automată a sondei asigură rezultate repetate pentru diferite sonde fără calibrare, în timp ce fără fir comunicarea garantează o conexiune ușoară

Exemple de domenii de activitate și aplicații ale bratului:

Informații tehnice ale brațului cu cea mai înaltă precizie:

1 Testul de repetabilitate a punctului este testul de referință pentru determinarea repetabilității brațului de măsurare cu sonda cu bilă. Conul se află în fața mașinii. Punctele sunt măsurate din mai multe direcții de apropiere. Se calculează punctul mediu și deviația fiecărui punct în centrul mediu. Rezultatul este intervalul maxim împărțit la 2.

2 Testul de precizie volumetrică reprezintă cel mai bine așteptările rezonabile privind performanța mașinii în aplicațiile practice de măsurare, deoarece implică măsurarea unui standard de lungime certificat de mai multe ori în mai multe locații și orientări și compară măsurătorile rezultate la lungimea reală. Testul de precizie a lungimii volumetrice este cel mai adecvat test pentru determinarea preciziei mașinii și a repetabilității. Rezultatul este abaterea maximă a distanței de măsurare minus lungimea teoretică.

Fig. 4.7.2 Scanarea piesei cu ajutorul brațului și a camerei

Fig. 4.7.3 Romer reverse engineering

Dezavantajele brațului Romer:

Singurul dezavantaj întâlnit este legat de dimensiunea pieselor care pot fi supuse măsurării, fiind capabil să măsoare piese de pâna la 1.2 metri.

În cele ce urmează prezint principalele avantaje ale unui aparat de măsurare Wenzel LH 108, dar din păcate acest aparat de măsurare nu se poate bucura de manevrabilitatea și ușurința montării în diferite locații precum brațul Romer prezentat anterior

Principalele caracteristici ale aparatului Wenzel LH 108:

măsurarea dimensiunilor pieselor mecanice (lungimi, diametre, distanțe, unghiuri, abateri de formă și poziție)

măsurarea zonelor de formă generale conform modelului CAD

digitalizarea formelor și a liniilor curbe

calculul statisticii dimensiunilor

Procesul de măsurare se realizează prin citirea poziției capului palpator în spațiu cu referire la poziția bilei de calibrare, care este înregistrată în harta spațială a aparatului.

Precizia de măsurare: MPe = 2 + L/300, unde:

L = lungimea spațiului măsurat în milimetrii

(rezultatul este în miimi de milimetru)

Exemplu: pentru un metru de lungime măsurată rezultă o precizie de 0,005333 milimetrii

Fig. 4.7.4 – Robot măsurători de mare precizie – WENZEL LH 108

Fig. 4.7.5 – Procedeul de măsurare

Fig. 4.7.6 – Interfața măsurătorii în programul specializat

Concluzii

Bibliografie

L. Ciobanu – Manipulatoare si roboti industriali, Editura Univ. Gh. Asachi Iasi, 1994

Ivanescu M. – Roboti industriali, Ed. Universitaria, Craiova, 1994

G. Ionescu ș.a. – Traductoare pentru automatizări industriale, vol.1 Editura Didactică și Pedagogică, București 1985

St. Gârlașu ș.a. – Electronică și automatizări industriale Editura Didactică și Pedagogică, București 1982